Wie aufladen

Die 60er und 70er Jahre waren Jahre voller brillanter Entdeckungen, Erfindungen und technologischer Fortschritte, insbesondere der Speichertechnologien. Eine der wichtigsten Entdeckungen zu dieser Zeit wurde von Willard Boyle und George Smith gemacht, als sie die Anwendung der Metalloxid-Halbleiter-Technologie (MOS) für die Entwicklung eines Halbleiter-Blasenspeichers untersuchten.

Das Team entdeckte, dass eine elektrische Ladung auf einem winzigen MOS-Kondensator gespeichert werden kann, der so angeschlossen werden kann, dass die Ladung von einem Kondensator zum anderen übertragen werden kann. Diese Entdeckung führte zur Erfindung von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCD), die ursprünglich für Speicheranwendungen entwickelt wurden, heute jedoch wichtige Komponenten fortschrittlicher Bildgebungssysteme sind.

Ein CCD (Charge Coupled Devices) ist ein hochempfindlicher Photonendetektor, der zum Bewegen von Ladungen aus einem Gerät in einen Bereich verwendet wird, in dem sie als Information interpretiert oder verarbeitet werden können (z. B. Umwandlung in einen digitalen Wert).

In dem heutigen Artikel werden wir untersuchen, wie CCDs funktionieren, in welchen Anwendungen sie bereitgestellt werden und welche komparativen Vorteile sie gegenüber anderen Technologien haben.

Was ist ein ladungsgekoppeltes Gerät?

In einfachen Worten können ladungsgesteuerte Geräte als integrierte Schaltkreise definiert werden, die eine Anordnung von verbundenen oder gekoppelten Ladungsspeicherelementen (kapazitiven Behältern) enthalten, die so ausgelegt sind, dass unter der Steuerung eines externen Schaltkreises die in jedem Kondensator gespeicherte elektrische Ladung gespeichert wird kann zu einem benachbarten Kondensator bewegt werden. Metalloxid-Halbleiter-Kondensatoren (MOS-Kondensatoren) werden typischerweise in CCDs verwendet, und durch Anlegen einer externen Spannung an die oberen Platten der MOS-Struktur können Ladungen (Elektronen (e-) oder Löcher (h +)) in den resultierenden gespeichert werden Potenzial. Diese Ladungen können dann durch digitale Impulse, die an die oberen Platten (Gates) angelegt werden, von einem Kondensator zu einem anderen verschoben und zeilenweise in ein serielles Ausgangsregister übertragen werden.

Funktionieren eines ladungsgekoppelten Geräts

Der Betrieb eines CCD umfasst drei Phasen. Da die Bildgebung in jüngster Zeit die beliebteste Anwendung ist, ist es am besten, diese Phasen in Bezug auf die Bildgebung zu erläutern. Die drei Stufen umfassen:

1. Ladungsinduktion / -sammlung
2. Aufladen der Ladung
3. Ladungsmessung

Ladungsinduktion / Sammlung / Lagerung:

Wie oben erwähnt, bestehen CCDs aus Ladungsspeicherelementen, und die Art des Speicherelements und das Verfahren zur Ladungsinduktion / -abscheidung hängen von der Anwendung ab. Bei der Bildgebung besteht die CCD aus einer großen Anzahl lichtempfindlicher Materialien, die in kleine Bereiche (Pixel) unterteilt sind, und wird zum Erstellen eines Bildes der interessierenden Szene verwendet. Wenn auf die Szene geworfenes Licht auf dem CCD reflektiert wird, wird ein Lichtphoton, das in den durch eines der Pixel definierten Bereich fällt, in ein (oder mehrere) Elektronen umgewandelt, deren Anzahl direkt proportional zur Intensität des ist Szene an jedem Pixel, so dass beim Ausstempeln der CCD die Anzahl der Elektronen in jedem Pixel gemessen wird und die Szene rekonstruiert werden kann.

Die folgende Abbildung zeigt einen sehr vereinfachten Querschnitt durch ein CCD.

Aus dem obigen Bild ist ersichtlich, dass die Pixel durch die Position der Elektroden über dem CCD definiert sind. Wenn also eine positive Spannung an die Elektrode angelegt wird, zieht das positive Potential alle negativ geladenen Elektronen nahe dem Bereich unter der Elektrode an. Zusätzlich werden alle positiv geladenen Löcher aus dem Bereich um die Elektrode abgestoßen, und dies führt zur Entwicklung einer "Potentialwanne", in der alle von ankommenden Photonen erzeugten Elektronen gespeichert werden.

Wenn mehr Licht auf das CCD fällt, wird die "Potentialwanne" stärker und zieht mehr Elektronen an, bis die "volle Wannenkapazität" (die Anzahl der Elektronen, die unter einem Pixel gespeichert werden können) erreicht ist. Um sicherzustellen, dass ein korrektes Bild aufgenommen wird, wird beispielsweise in Kameras ein Verschluss verwendet, um die Beleuchtung zeitgesteuert so zu steuern, dass die potenzielle Vertiefung gefüllt wird, ihre Kapazität jedoch nicht überschritten wird, da dies kontraproduktiv sein könnte.

Ladungsstempelung:

Die bei der CCD-Herstellung verwendete MOS-Topologie begrenzt den Umfang der Signalkonditionierung und -verarbeitung, die auf dem Chip durchgeführt werden kann. Daher müssen Ladungen normalerweise zu einer externen Konditionierungsschaltung getaktet werden, wo die Verarbeitung erfolgt.

Jedes Pixel in einer Reihe eines CCD ist typischerweise mit 3 Elektroden ausgestattet, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Eine der Elektroden wird zur Erzeugung des Potentialtopfs für die Ladungsspeicherung verwendet, während die anderen beiden zur Taktung von Ladungen verwendet werden.

Angenommen, eine Ladung wird unter einer der Elektroden gesammelt, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Um die Ladung aus dem CCD heraus zu takten, wird eine neue Potentialwanne induziert, indem IØ3 hoch gehalten wird, wodurch die Ladung zwischen IØ2 und IØ3 aufgeteilt wird, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Als nächstes wird IØ2 niedrig genommen, und dies führt zu einer vollständigen Übertragung der Ladung auf die Elektrode IØ3.

Der Stempelvorgang wird fortgesetzt, indem IØ1 hoch genommen wird, wodurch sichergestellt wird, dass die Ladung zwischen IØ1 und IØ3 aufgeteilt wird, und schließlich IØ3 niedrig genommen wird, sodass die Ladung vollständig unter den IØ1-Elektroden verschoben wird.

Abhängig von der Anordnung / Ausrichtung der Elektroden im CCD wird dieser Prozess fortgesetzt und die Ladung bewegt sich entweder entlang der Säule oder über die Reihe bis zur letzten Reihe, die üblicherweise als Ausleseregister bezeichnet wird.

Ladungsmessung:

Am Ende des Ausleseregisters wird eine angeschlossene Verstärkerschaltung verwendet, um den Wert jeder Ladung zu messen und in eine Spannung mit einem typischen Umrechnungsfaktor von etwa 5 bis 10 uV pro Elektron umzuwandeln. In Bildgebungsanwendungen wird eine CCD-basierte Kamera mit dem CCD-Chip zusammen mit einer anderen zugehörigen Elektronik geliefert, vor allem aber mit dem Verstärker, der durch Umwandlung der Ladung in Spannung dazu beiträgt, die Pixel in eine Form zu digitalisieren, die von der Software verarbeitet werden kann. um das aufgenommene Bild zu erhalten.

Eigenschaften von CCD

Einige der Eigenschaften, die zur Beschreibung der Leistung / Qualität / Qualität von CCDs verwendet werden, sind:

1. Quanteneffizienz:

Die Quanteneffizienz bezieht sich auf die Effizienz, mit der ein CCD eine Ladung erfasst / speichert.

Bei der Bildgebung werden nicht alle auf die Pixelebenen fallenden Photonen erfasst und in eine elektrische Ladung umgewandelt. Der Prozentsatz der Fotos, die erfolgreich erkannt und konvertiert wurden, wird als Quanteneffizienz bezeichnet. Die besten CCDs können eine QE von rund 80% erreichen. Für den Kontext liegt die Quanteneffizienz des menschlichen Auges bei etwa 20%.

2. Wellenlängenbereich:

CCDs haben typischerweise einen weiten Wellenlängenbereich von ungefähr 400 nm (blau) bis ungefähr 1050 nm (Infrarot) mit einer Spitzenempfindlichkeit bei ungefähr 700 nm. Verfahren wie das Rückverdünnen können jedoch verwendet werden, um den Wellenlängenbereich eines CCD zu erweitern.

3. Dynamikbereich:

Der Dynamikbereich eines CCD bezieht sich auf die minimale und maximale Anzahl von Elektronen, die in der Potentialwanne gespeichert werden können. In typischen CCDs liegt die maximale Anzahl von Elektronen normalerweise bei etwa 150.000, während die minimale Anzahl in den meisten Einstellungen tatsächlich weniger als ein Elektron betragen kann. Das Konzept des Dynamikbereichs kann bildlich besser erklärt werden. Wie bereits erwähnt, werden die Photonen beim Fallen von Licht auf eine CCD in Elektronen umgewandelt und in die Potentialwanne gesaugt, die irgendwann gesättigt wird. Die Menge an Elektronen, die sich aus der Umwandlung von Photonen ergibt, hängt typischerweise von der Intensität der Quellen ab. Daher wird der Dynamikbereich auch verwendet, um den Bereich zwischen der hellsten und der schwächsten möglichen Quelle zu beschreiben, die von einem CCD abgebildet werden kann.

4. Linearität:

Eine wichtige Überlegung bei der Auswahl von CCD ist normalerweise seine Fähigkeit, über einen weiten Bereich von Eingaben linear zu reagieren. Wenn bei der Bildgebung beispielsweise ein CCD 100 Photonen erfasst und diese in 100 Elektronen umwandelt (beispielsweise unter der Annahme, dass QE 100% beträgt), wird aus Gründen der Linearität erwartet, dass 10000 Elektronen erzeugt werden, wenn 10000 Photonen erfasst werden. Der Wert der Linearität in CCDs liegt in der verringerten Komplexität der Verarbeitungstechniken, die zum Wiegen und Verstärken der Signale verwendet werden. Wenn der CCD linear ist, ist eine geringere Signalaufbereitung erforderlich.

5. Leistung:

Abhängig von der Anwendung spielt die Stromversorgung für jedes Gerät eine wichtige Rolle, und die Verwendung einer Komponente mit geringem Stromverbrauch ist normalerweise eine kluge Entscheidung. Dies ist eines der Dinge, die CCDs in Anwendungen bringen. Während die Schaltkreise um sie herum möglicherweise eine erhebliche Menge an Strom verbrauchen, sind CCDs selbst mit typischen Verbrauchswerten um 50 mW stromsparend.

6. Lärm:

CCDs sind wie alle analogen Geräte anfällig für Rauschen. Eine der wichtigsten Eigenschaften für die Bewertung ihrer Leistung und Kapazität ist der Umgang mit Rauschen. Das ultimative Rauschelement bei CCD ist das Ausleserauschen. Es ist ein Produkt der Elektronen zum Spannungsumwandlungsprozess und trägt zur Abschätzung des Dynamikbereichs des CCD bei.

Anwendungen von CCDs

Ladungsgekoppelte Geräte finden Anwendungen in verschiedenen Bereichen, einschließlich:

1. Biowissenschaften:

CCD-basierte Detektoren und Kameras werden in verschiedenen bildgebenden Anwendungen und Systemen in den Biowissenschaften und im medizinischen Bereich eingesetzt. Die Anwendungen in diesem Bereich sind zu umfangreich, um jeden einzelnen zu erwähnen, aber einige spezifische Beispiele umfassen die Fähigkeit, Bilder von Zellen mit angewendeten Kontrastverbesserungen aufzunehmen, die Fähigkeit, Bildproben zu sammeln, die mit Fluorophoren dotiert wurden (wodurch die Probe fluoresziert)) und Verwendung in fortschrittlichen Röntgentomographiesystemen zur Abbildung von Knochenstrukturen und Weichteilproben.

2. Optische Mikroskopie:

Während die Anwendungen in den Biowissenschaften die Verwendung in Mikroskopen umfassen, ist es wichtig zu beachten, dass die Mikroskopieanwendungen nicht auf den Bereich der Biowissenschaften beschränkt sind. Optische Mikroskope verschiedener Typen werden in anderen wichtigen Bereichen eingesetzt, wie z. Nanotechnologie, Lebensmittelwissenschaft und Chemie.

In den meisten Mikroskopieanwendungen werden CCDs aufgrund des geringen Rauschverhältnisses, der hohen Empfindlichkeit, der hohen räumlichen Auflösung und der schnellen Probenabbildung verwendet, die für die Analyse von Reaktionen auf mikroskopischer Ebene wichtig sind.

3. Astronomie:

Bei der Mikroskopie werden CCDs verwendet, um winzige Elemente abzubilden. In der Astronomie werden jedoch die Bilder großer und weit entfernter Objekte fokussiert. Die Astronomie ist eine der frühesten Anwendungen von CCDs, und Objekte, die von Sternen, Planeten, Meteoren usw. reichen, wurden alle mit CCD-basierten Systemen abgebildet.

4. Kommerzielle Kameras:

Kostengünstige CCD-Bildsensoren werden in kommerziellen Kameras verwendet. Die CCDs sind aufgrund der geringen Kosten für kommerzielle Kameras in der Regel von geringerer Qualität und Leistung als in der Astronomie und den Biowissenschaften.